流域干旱演化模拟与评估数字仿真系统研发

冶运涛，梁犁丽，曹 引，2，赵红莉，蒋云钟

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

流域干旱演化模拟与评估数字仿真系统研发

冶运涛1，梁犁丽1，曹 引1，2，赵红莉1，蒋云钟1

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

以新疆玛纳斯湖流域为例，将多源数据管理、干旱模拟评估、信息直观表达等技术相融合，研发了流域旱情演化与评估数字仿真系统。该系统具有多模式控制漫游、时空数据查询与显示、实体信息查询与显示、文字动态标注、多媒体仿真等基础功能，提供了干旱指数计算、干旱演化参数图形表达、干旱数据空间插值、干旱演化时空动态可视化等专业功能。

数字流域；虚拟仿真；旱情演化；模拟与评估

1 研究背景

随着信息技术的迅猛发展，以数字化、网络化、智能化为总特征的信息科学技术成为推动社会可持续发展的强大动力，在水利领域的突出表现为“数字流域”研究和开发成为现代水利的重要内容和主要标志，它是水利信息化发展的必然趋势，是实现流域管理与决策支持信息化的重要途径［1］。在数字流域研究中，三维仿真技术是数字流域建设的核心技术之一，可以将流域相关的数据和信息通过空间地理坐标进行高度综合集成，以其逼真模型的建立、场景的真实模拟成为人们观察流域的新方式和提升流域管理效能的必要手段。因此，将三维仿真技术引入到抗旱管理工作中，提升抗旱管理的决策支持水平具有重要的实用价值。

国外比较有代表性的是美国干旱预警系统，建立了“国家集成干旱信息系统”，干旱监控图通过干旱门户网站（http：//www.drought.gov）发布，该图主要提供全美各地总体干旱的程度及具体分布，还可以查询区域详细的干旱信息，系统主要是通过二维GIS地图进行信息的汇总和发布［2］。国内具有代表性的是水利部层面初步建设完成的全国七大流域电子沙盘［3］，以及宁夏回族自治区、山东省、北京市、河北省等防汛部门相继建设完成省、市级电子沙盘［3］，这些电子沙盘将防汛抗旱基础信息与虚拟环境相结合，实现了对多种信息的综合管理，但是由于研究范围和尺度不同，上述电子沙盘在应用到其他区域时，需要进行扩展性定制，而且电子沙盘仍以指挥防汛实际行动为主，能够仿真模拟洪水淹没过程，但是在结合气候模式、分布式水文模型及评估模型的干旱演化过程的仿真方面尚待加强。

为了应对波及范围广、影响因素多、危害程度深的干旱极值水文事件，采用立体监测手段、模拟计算技术和诊断评估模型等进行研究，会产生多维多时空尺度的海量数据，对这些数据进行有效管理、快速分析与可视展现成为摆在决策者面前的难题。本文以新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域为例，以驱动干旱演化的水循环模型和三维仿真技术为基础，首先提出了融合三维仿真技术与干旱演化评估模型的流域干旱演化模拟与评估数字仿真系统总体框架；接着研发了将立体监测数据、模拟计算数据与诊断评估数据统一集成的数字仿真系统；最后重点研究了系统功能及其实现方法。

2 系统总体框架

2.1 系统服务目标通过将三维仿真技术、干旱演化模拟与干旱状态评价方法相结合，将抗旱所需的多源信息以多模式多角度方式展现在三维场景中，动态仿真干旱状态的变化过程，及时将监测预警信息可视化，辅助决策者及时发现干旱状态，迅速制定应急方案，为综合采用工程和非工程措施提供技术管理手段和决策支持工具，从而将干旱所造成的损失降低到最小。

2.2 系统功能需求结合抗旱的业务特点，提出数字仿真系统的功能需求：（1）基于数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、遥感影像和矢量数据，能够生成研究区域的三维地形地貌场景；能够自动加载重点关注的水利工程建筑物，并自适应与大范围地形完成无缝拼接，也能进行精确的定位；能够将属性数据（非空间数据）与生成的大范围流域场景进行动态链接。（2）能够对海量地形地物组成的流域虚拟环境进行实时交互驱动，以多种漫游方式对虚拟环境进行浏览；在场景漫游中，能够实现对抗旱信息进行快速检索和实时显示，并能迅速定位到关注的干旱区域，能以声音仿真和可视化仿真综合手段指挥抗旱工作。（3）能够通过EXE和动态链接库的方式将气候模式、分布式水文模型、干旱评估模型封装成流域干旱演化模型和评估模型模块，集成到数字仿真系统中，利用系统界面对模型进行交互，同时提供高性能计算平台支撑，将上述模型计算结果能够存储到综合数据库中，能够对这些数据进行挖掘分析及可视化展现。

2.3 系统框架流域干旱演化模拟与评估数字仿真系统承担着汇集多源数据、操控多种模型、挖掘分析各种规则数据的任务，并将这些数据以直观方式提交给决策者，实现数据与信息的高度集成、可视化表达与综合分析，从而能够全面把握干旱的演变规律与变化趋势，及时提出调控措施。系统总体框架主要由数据层、模型层、系统层与功能层组成“四层架构”，如图1所示。数据层向模型层和系统层提供数据支持；模型层将计算结果双向传递，一是传送到数据层进行存储，另外将数据传送到系统层进行集成显示；功能层是系统层的专业应用，是平台层具体化方式的体现。

图1 流域干旱演化模拟与评估数字仿真系统总体框架

数据层是将固定监测、移动监测和人工监测到的与抗旱相关的静态数据、实时数据和历史数据以空间数据库和属性数据库进行存储；空间数据库存储遥感影像、航拍图片、GIS图层、实体模型几何结构和纹理图像（图片）等；属性数据库存储实体属性信息、气象水文数据、抗旱水源数据、抗旱工程数据、实时旱情数据、社会经济数据、抗旱管理数据、工程应急措施、历史旱灾数据、图形数据等。模型层是数字仿真系统的核心引擎，它以数据库存储的干旱演化参数为基础，建立描述全球变化和人类剧烈活动导致的水循环演变的“自然-人工”二元水循环模型，复演流域干旱的历史规律、研究流域干旱现状、预测流域干旱的演变趋势；建立流域干旱演化的评价指标体系，制定干旱评估准则，计算不同指标体系下的干旱指数，构建流域干旱综合评估模型，实现对流域干旱的时空分布状况进行定量分析。系统层作为前台的显示和交互界面，是整个系统面向用户的窗口，通过该窗口将数据库、模型计算结果等方面的信息转换为三维场景的表达方式，最终在数字仿真系统中实时动态显示融合集成的抗旱信息。功能层是整个系统的应用，是面向干旱管理决策者而开发封装的功能模块，是用户与后台数据库交互的“纽带”，用户可以通过这些组件在三维虚拟场景中以直观的方式展现监测和挖掘分析数据，快速全面把握抗旱信息。

3 数字仿真系统研发

3.1 数字仿真数据库建立数字仿真系统包含三维实体模型、三维实体属性、数学模型计算、社会经济以及实时传输等数据，通过地理空间坐标将这些数据在数字仿真系统上实现多源数据无缝集成与综合信息的直观表达。通过对数据和信息特性分析，将仿真系统综合数据库划分为空间数据库和属性数据库两大类，两者的相互动态关联通过建立各类数据间的逻辑和拓扑关系来实现。

3.1.1 空间数据库 流域三维场景建模生成主要由三维建模软件Terra Vista和Multigen Creator完成，前者负责生成三维地形，后者生成地物模型。Terra Vista软件以工程项目的方式对地理数据管理，把统一的地理坐标系作为基准，将数字高程模型、遥感影像或航片、各种矢量数据、实体模型等集成起来自动生成大范围三维场景模型［4］。

（1）地形建模。玛纳斯河流域数字高程模型分辨率为90 m的GRID格式，利用ArcGIS 9.1软件将GRID格式转换为ASC格式，导入到新建工程后自动转换为txl格式。Google Earth提供了丰富且精度能够满足三维显示要求的遥感影像数据源，利用影像自动提取辅助工具，设置好完全包围玛纳斯河流域的范围边界与最高分辨率，就能实现遥感影像的分块提取与合成，并保存为JPEG格式的图片，同时生成文本文件记录遥感影像范围与地理坐标系参数，经过配准后以GeoImage Import方式导入到工程项目中自动转换为ECW格式的纹理图片，并在Geospecific Imagery中设置纹理图片的参数Local Bottom、Local Left、Local Right和Local Top，与数字高程模型进行空间位置的匹配。矢量数据（或称为“文化特征数据”）是用来表现三维场景的细部特征，如研究区域的水系、道路、街区、植被、标志性建筑物、居民区等矢量数据，实际应用中根据需求选择描述相应对象的矢量数据，将其转换为Ter⁃ra Vista能够识别的GIS型文件格式（.shp）。矢量数据是以实例化方式对文化特征数据赋值。矢量数据的赋值是利用Terra Vista提供的点、线、面矢量建模模板［5］，将矢量数据实例化的过程，即将矢量数据表现为实际的三维实体，赋予特定的信息。对应点实体的有房屋、树木、标志牌等；对应线实体的有各种道路、河流、围墙、管线等；对应面实体的有森林、湖泊（双线河）、城镇以及特殊用途的面实体如三角网加密实体等。通过对这些矢量数据按用途赋值，就能构建丰富多彩的地物模型。

对于重点区域要采用高分辨率的地形和纹理，能够精细地表现地形地貌，然而很难处理不同精度地形块的无缝集成，不仅要实现不同LOD等级的嵌套，而且还要纹理和几何模型的融合，避免出现裂缝。为有效解决该问题，Terra Vista提供了网格加密和高分辨率纹理插块技术。对于需要设置高分辨率地形纹理的区域，使用矢量编辑器Vector Editor将其勾勒出并设置为面状矢量实体，标识为HiRes Texture Inset，在其属性Meters Per Pixel中设置目标分辨率，最高分辨率取决于纹理文件实有分辨率；对于需要增加网格密度的区域，用矢量编辑器Vector Editor将其勾勒出并设置面状矢量实体，将其赋为High Polygon Budget Inset模块，根据实际需要，在其属性项Triangle Budget中设置满足需求的三角形数目，该区域的三角形在自动生成地形过程中能自适应加密，并能够与周围网格无缝拼接。

（2）地物建模。Terra Vista软件平台中提供的三维模型有限，在对重点关注物体浏览时，则需要精细建模，然后导入到软件模型库中。流域实体模型采用精确的几何结构导入到Creator软件中进行建模，并将实拍像片处理后作为纹理映射到几何结构上，如此建模既能操纵模型的动态变化，又能从外观反映真实实体图景。通常建模后的模型以外部引用的方式导入地形模型中，使用建模软件Creator手工完成各模型的定位及嵌入工作。该方法有以下不足［6］：一是模型定位工作量大，模型与地形无缝拼接较为复杂，且一旦修改的模型需要重新生成时，已完成的模型定位及嵌入工作需重新进行；二是非智能。而Terra Vista提供了矢量要素模板，不仅能智能定位三维模型，而且与周围地形无缝拼接，提高了建模的精度和效率。建模完成模型嵌入的步骤如下：①利用Creator建立三维模型test model，并且设置footprint，否则由Terra Vista自动生成的footprint，会使模型产生偏差；②将建好的Open Flight格式的模型以Open Flight Converter方式导入已建的Terra Vista工程项目文件，保存在Model Library中；③复制一个点状模板作为替换模板，将其代码更改为test model，作为模板的索引名；④将替换模板的Model Instance中的Model属性中已有模型用Model Library中的自建模型代替，将自建模型与test model模板关联；⑤在Point Layout中设置自建模型的嵌入方式，共有Integrated、Stitched和Layered三种。通常选择Integrated方式无缝集成自建模型与周围地形；在Set Point Eleva⁃tions栏中设置自建模型的高程、设置模型朝向、修改映射纹理等。

（3）渠系建模。玛纳斯流域下游分布有灌区，贯穿着许多渠道。虽然渠道断面规则，建模较天然河道而言相对简单，但如果手工绘制，建模工作量仍很大。采用Terra Vista提供的Complex River/ Stream生成工具，可以方便地在地形中无缝嵌入渠道，自动化建模程度高。将渠道矢量线标识赋值为Complex River/Stream，该实体主要包括渠道宽度wid，水面以上的宽度Outer wid、深度Outer dep，水面以下的宽度wid、深度dep等属性值，按照渠道指标进行赋值后，即可生成与地形无缝连接的渠道。为配合渠道两侧的路面，建模中将渠道矢量线复制两份，按照渠道和路面宽度之和的一半作为两矢量线的间距，并将渠道两侧的矢量线赋值为道路标识，这样就可以自动生成渠道和两侧的道路，渠道两侧的树木也可以如法炮制。

（4）空间数据库生成。Terra Vista利用了规则网格和不规则网格相结合的混合建模思想，充分利用两者不同优势来构造基于视点变化的连续多分辨率地形结构，提高实时仿真模拟效率。Terra Vista使用Poly Calculator工具剖分网格，其中需要设置细节层次（LOD，Levels Of Detail）的数量、可视距离、网格的大小和每个网格中的三角网密度，对应各层次地形网格输出相应的网格大小和精度的纹理图片。合理的参数设置能够协调渲染量和显示速度。大范围地形是按照分块方式统一生成，各块内三角网密度和纹理分辨率相同，尽可能地满足系统实时性的要求。按照上述方式对地形参数和矢量数据处理后，按下述步骤生成研究区的虚拟环境：①选定目标区域，设定输出图片的格式与分辨率为256×256的BMP图片来平衡纹理精细程度和渲染计算量；②确定输出模型文件格式为符合图形仿真标准的OpenFlight格式；③以分块方式生成流域三维地形地貌，这些方块以规则的行列号命名方式存储在硬盘空间内，并以外部引用节点的方式集成在master.flt文件中，生成三维场景。

空间数据采用OpenFlight格式的三维空间数据模型存储在模型文件中，该数据模型将实体按照其几何结构进行存储。从基础的点、线、面开始，以三角形面组合为局部结构，最后构造为完整的地形骨架，通过节点的三维坐标和骨架拓扑关系存储模型的几何信息，与纹理、光照、材质等属性相关联。与单个实体的空间信息描述和存储相似，应用Extern外部节点组织存储整个大场景地形地物的空间信息，存储和管理各个单一实体空间位置信息，以单个实体标识ID区分实体，保证空间数据记录的唯一性，也为实体属性数据的关联提供前提。

3.1.2 属性数据库 属性数据是不仅包括描述三维实体各种属性信息的数据，其中既包括实体名称、实体说明等文本数据，还包括相关的图片、影像等多媒体数据。在流域干旱演化与评估计算方面，一方面需要存储计算所需的基础数据，如气象水文、社会经济、地形高程、土地利用类型、划分的子流域等；另一方面则需要存储计算结果。上述这些数据既有动态数据，也有静态数据，数据库表格设计应按照系统的特点分类考虑，才能减少数据的冗余。考虑到很多操作是基于实体，且许多实体属性数据均属于静态数据，因此设计时就以三维实体为中心，将其相关的静态属性存储在一个表中。对于模型的计算结果，如水位、流量等信息另建表格存储，并通过时间等字段保证记录数据的唯一性。

除了存储上述的三维实体模型和模型计算的属性信息，包括八类抗旱系统所需的数据，包括气象水文数据、抗旱水源数据、抗旱工程数据、实时旱情数据、社会经济数据、抗旱管理数据、工程应急措施、历史旱灾数据、图形数据。气象水文数据是指日照、风力、蒸发、降雨、河道（水库）水位、流量等水文气象实时信息，数据来源为气象产品应用系统和水雨情数据库；抗旱水源数据是指水库、湖泊、坑塘、水窖蓄水量和过境河流可利用径流量的地表水，可利用的浅层地下水资源量和深层地下水资源量信息；抗旱工程数据是指水库、机电井、塘坝、水窖、提灌站、水闸及灌区灌溉设施等抗旱水利工程的基本信息及监测信息；实时旱情数据包括实时旱情统计信息、墒情监测信息、农情信息、灾情信息、旱情遥感信息、地下水埋深信息、城乡生产生活缺水信息、生态用水信息等；社会经济数据是指在共享社会经济数据库基础上，增建抗旱专用社会经济信息项；抗旱管理数据包括抗旱法律法规、抗旱服务组织信息、抗旱预案、应急预案等；历史旱灾数据是指历史旱灾发生时间、地点、规模、造成的损失、抗旱措施及对经济、社会、生态的影响及损失等信息；图形数据是指在共享图形库基础地理信息的基础上，增建专题数据层。

3.1.3 空间数据库与属性数据库连接 空间数据库和属性数据库构成综合数据库，集成于流域数字仿真系统中，实体空间信息由图形仿真工业标准OpenFlight格式的空间数据模型文件存储，通过数字仿真系统调用渲染显示三维地形地物模型；属性信息存储在MySQL数据库中，信息查询、添加、删除、更新等操作通过SQL语句完成。在此基础上，通过设计程序以及建立空间数据库与属性数据库联系实现基于虚拟流域环境的信息查询与综合分析［7］。

3.2 场景控制漫游与海量数据实时调度场景漫游是通过对视点（或者称为摄像机）的空间位置和旋转角度控制来实现。OpenGVS提供了控制视点变化的Camera接口函数，在图形回调中，编写摄像机的运动规则，就能实现在漫游过程中视点不低于地面、不能穿越建筑物等功能。在场景控制漫游过程中，根据距离地面的高低和视线方向控制漫游速度的快慢。从高空对场景浏览时，设置一定高程值，视点高程大于该值时，漫游速度逐渐加快，对场景进行大体浏览，小于该值时，调整观察视角，使漫游速度减慢，对景物进行仔细欣赏，这符合人类观察事物的心理，离开观察物较远时，不能观察到物体细节，就急需走近物体，近距离观察物体时，就想放慢浏览速度。

大范围地形地物数据量通常非常庞大，难以全部参与显示，即使是利用一组LOD模型也很难做到。要实现对地形数据的可交互式实时渲染，每次只能取其模型的一部分来进行；同时，随着视点的视线变化，参与计算的这一部分细节的详略程度也应相应地动态改变。维持这样一个与视点相关的基于动态三角构网的视景，需要一个动态视景更新机制来有效地组织与管理数据。这种机制能使视景中可见部分反复地调入和卸载。视景管理必须通过设定相关参数来决定什么时候及视景的那些部分将被卸载、更新（重新定义）或即将从数据库中调入。因此，那些包含着地形数据的数据库或数据结构必须能够支持空间数据的快速存取。大部分动态视景更新机制包含在地形数据上对空间范围的查询功能，来调入新的或更新当前视景中的可见部分。为解决一定精度下大范围地形环境的实时仿真问题，常用策略是将地形分块处理和内存数据分页，即将参与显示的整块地形细分成一定大小的等大数据块，在漫游过程中根据视点的位置及视线的关系分别设定不同的LOD，减小模型的数量，提高视景显示效率。地形数据经过分块处理后，非常方便建立实时显示的分页机制。

3.3 数字仿真系统开发数字仿真系统是基于OpenGVS三维视景软件包开发，它是实时三维仿真软件开发和系统集成的高级应用程序接口，提供了各种软件资源，利用资源自身提供的API，可以很好地以接近自然和面向对象的方式组织视景图元和进行编程，来模拟视景仿真的各个要素；而且还包含了一组高层次的、面向对象的C++应用程序开发接口，直接架构于世界领先的三维图形标准之上，只需用少量代码就可以快速生成高质量的三维应用软件。OpenGVS的API分为场景、摄像机、对象等各组资源，按照应用调用这些资源来驱动硬件实时产生所需的图形和效果，OpenGVS的技术框架如图2所示。

数字仿真系统区别于传统的动画式三维可视化，不仅要满足三维场景的真实表达的要求，而且具备良好的交互特性。在分析抗旱管理需求的基础上，在图形工作站硬件支撑下，利用Visual C++和OpenGVS相结合，研发流域干旱演化与评估数字仿真系统。由于系统启动过程中要调度三维地形地物模型，进入系统界面的速度取决于数据量大小，为防止调度较大数据量出现“空白”界面，在启动时增加了闪屏功能。该系统的程序结构主要分为系统初始化、系统运行和系统退出三部分［7］。

4 数字仿真系统功能

4.1 多模式控制漫游系统提供了飞行漫游、旋转浏览和平移浏览等三种鼠标和键盘联合操作的手动漫游方式来模拟漫游的向左与向右转、抬头与低头、向前和向后移动，图3为玛纳斯河流域三维场景效果。同时系统提供了自动路径漫游功能，可实现干旱严重的核心区域进行自动反复的动态观察，如图4所示。为了浏览虚拟环境中关键实体或部位，避免手动漫游控制造成的不必要飞行过程，系统提供了视点定位功能能够快速准确地将摄像机置于最佳观察位置，如图5所示。

4.2 时空数据查询与显示干旱管理中的属性信息是以高效的数据结构组织存储在后台数据库中。设计操作方便的管理模块能够提高工作效率，系统提供了数据的查询显示、数据增加、数据删除等功能，如图6所示。旱情信息的查询直接与数据库连接进行精确查询或模糊查询，主要包括实时水雨工情、气象信息、水文历史信息、预报预测结果等信息的查询和自动显示，并辅有预警功能，使决策者及时了解旱情严重区域的位置和密切监视旱情的发展。

图2 数字仿真系统结构

图3 玛纳斯河流域三维场景效果

图4 路径漫游管理工具

图5 视点定位

图6 时空数据查询与显示

4.3 实体信息查询与显示实时信息的查询与显示是利用鼠标与流域虚拟环境中三维实体进行交互，以OpenGVS提供碰撞检测函数确定鼠标选中的实体，根据其关键字段应用SQL语句搜索属性数据中该标识名对应的实体属性信息记录，将文本、图片、视频等记录信息通过对话框方式显示出来，这项功能可以在漫游虚拟流域环境时，对实体信息进行直接操作并随意查询，如抗旱工作中可以用来查询水库的水位以及对应的蓄水量、渠道的流量、生产井的地下水位等。查询界面如图7所示。

图7 实体属性信息查询

图8 文字标注

4.4 文字动态标注文字标注是三维场景的多维可视化表达方法之一。它将数据文字经过图形处理后放置在对应的空间位置，然后通过图形变换投影送到屏幕上显示。在程序运行中，这些数据在后台数据库支持下能够实时更新变化，且随着视点变化移动屏幕上的显示位置，并变换字体朝向，随时面向观察者，但字体空间位置保持不变，还能根据距离视点远近呈现字体大小变化，符合人类观察世界的习惯。如在气象水文站上处标上气象水文站名称和实时获取的气象水文数据；在水系和湖泊所在位置标注其名称，就能达到认知世界的目的。图8为在玛纳斯湖位置处标注的“玛纳斯湖”的名称。

4.5 多媒体仿真数字仿真系统是各种数据源信息的综合体，其中音频信息表达是仿真系统功能的有效补充与提升。在抗旱系统中，三维场景的可视化漫游能够使观察者直观地了解所在区域的干旱情况，但是如何发挥群众的参与得需要依赖决策者的正确的抉择以及信息的及时传送。以往仅靠简单的文本上传下达只能使具有专业背景知识的能够理解上级的指示，再传达给人民群众已经延误了很长时间，而数字仿真系统能够汇聚各种信息并直观表现，同时通过决策者的认真布置和讲解，可以使人民群众快速的理解，并迅速投入到抗旱的主战场。系统提供了音频播放功能，如图9所示。

4.6 干旱指数计算为提供旱情定量分析与监测结果，数字仿真系统建立了气象、水文、农业和生态干旱四类干旱指数的计算模型。气象干旱指数计算包括降水量、降水距平值、干燥度、标准化降水SPI、Z指数、Thornthaite指数。水文干旱指数计算包括径流量、径流距平、水资源量、河道水位。农业干旱指数计算包括土壤相对湿度、土壤水分亏缺率、作物水分指数CMI、作物缺水指数、水分亏缺。生态干旱指数计算包括地下水位、植被归一化指数NDVI。综合指数是对以上每一类干旱指数分别进行综合，得出该类的综合指数，包括帕尔默指数、综合旱涝指标CI。在此基础上，经过综合分计算得到综合指数，反映研究区域干旱现状和主要特点，用作最终的旱情分析和灾害评估。干旱指数计算界面见图10。

图9 音频播放功能对话框

图10 流域干旱指数计算界面

4.7 干旱演化参数的图形表达图形是表现数据的一种有效方式，通过将数据可视化，可以简洁直观地向公众显示特定信息，对数据进行有效分析。根据前文所述，仿真数据库以离散方式存储有时空属性的数据信息，若要获取某个特定位置的数据信息的演变状况，或选择几个位置比较不同时间相的属性值，就可以采用图形方式将属性值随时间推进而变化的趋势表现出来，使公众一目了然。常采用图形表达方式有曲线型、柱状图和面积图等，如图11、图12和图13所示。

图11 降水量变化曲线图

图13 降水量柱状图

图12 降水量变化面积图

图14 空间插值工具界面

4.8 干旱数据空间插值干旱演化模拟与评估中涉及到的很多属性数据是水文气象站的观测数据，或者是采用分布式水文模型计算的计算单元的数据，这些离散存储形式无法反映数据在空间保持连续的研究区域上的分布状况，因此可以利用空间插值方法将这些离散数据“平铺”到整个研究区域，直观展现数据的空间连续分布。系统提供了克里金和距离反比平方两种常用的插值方法，如图14所示，详细的算法和计算步骤见文献［8］。

4.9 干旱演化时空动态可视化数字仿真系统能够将流域的地形地貌、社会人文和经济等信息展现给决策者，能够与各种信息交互式三维可视化，同时提供了与干旱演化时空数据交互的接口。将计算过程及计算结果或者测量的数据转换为图形及图像形象、直观地显示出来，把许多抽象、难于理解的原理和规律变得容易理解，冗繁的数据变得生动有趣，其目的在于维持信息完整性的同时，把信息变换成适合人类视觉系统理解的方式，其基本流程包括数据生成、数据的精炼和处理、可视化映射、绘制及显示［9］。OpenGVS利用“图形回调”实现动态可视化效果，具体实现流程如下［10］：由于干旱演化数据大部分是二维标量，空间位置坐标不变，而任一点的属性信息可能会发生变化。数据场分布随着时间的推进而发生变化的，每循环一帧，属性值就会变化一次，以属性值为参数的绘制函数所绘制的干旱演化数据时空分布图形会重画一次，伴随着屏幕的更新，干旱演化数据各个时刻的空间分布状态就可以展现在三维场景中。属性值可视化是通过颜色映射方式表现的。首先，设置分级或连续的颜色条带；其次，在系统初始化过程中找出所有节点中相同属性的最大最小值，并设置其所对应的颜色值或者透明度值，并线性插值得出所有节点的颜色值和透明度值；最后通过节点位置、透明度和颜色值绘制三角形图元。具体效果见文献［8］。

5 结论

本文初步提出了数字仿真系统“四层”体系架构，构建了玛纳斯流域干旱演化与评估数字仿真系统。该系统能够在生成的玛纳斯流域虚拟环境中进行多模式控制漫游，同时能够交互地进行时空数据查询与显示、实体信息查询与显示、文字动态标注、多媒体仿真等，还实现了干旱指数计算、干旱演化参数的图形表达、干旱数据空间插值、干旱演化时空动态可视化等专业功能，为流域抗旱工作提供了辅助决策支持平台和工具。研发的系统实现了信息技术与专业理论方法的有效融合，能够提高玛纳斯河流域防灾减灾的信息化水平，同时系统建设中关键技术和仿真方法可以为其他流域抗旱管理提供借鉴与支持。

［ 1］ 刘家宏，王光谦，王开.数字流域研究综述［J］.水利学报，2006，37（2）：240-246.

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［ 8］ 梁犁丽.西北内陆河流域干旱演化模拟与评估理论方法研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2008.

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［10］ 冶运涛，王兴奎，蒋云钟，等.虚拟环境中水文数据时空展布和三维等值线生成算法研究［J］.应用基础与工程科学学报，2011，19（3）：416-428.

Development of the digital simulation system of drought evolution simulation and assessment in a basin

YE Yuntao1，LIANG Lili1，CAO Yin1，2，ZHAO Hongli1，JIANG Yunzhong1
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；）

Taking the Manasi Lake River Basin as an example，a digital simulation system Platform of Drought Evolution Simulation and Assessment in a basin was developed.The key techniques used in the system developmentincluded multi-sourcedatamanagement，droughtevolution simulation and assessment and information intuitive expression.The system not only provided the basic functions，e.g.，multi-mode roaming control，spatial-temporal data query and display，water infrastructure information query and display，dynamic text annotation，and multimedia simulation，but also coved professional functions，e.g.，drought in⁃dex calculation，graphics expression of drought evolution parameters，spatial data interpolation，and dynam⁃ic visualization of drought evolution process.

digital basin；virtual reality；drought evolution；simulation and assessment

TV213

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.007

1672-3031（2015）01-0039-09

（责任编辑：王学凤）

2014-08-01

国家自然科学基金项目（51309254，51209223）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2013BAB05B01）；中国水科院科研专项（资基本科研1401）；高分辨率对地观测系统重大专项（08-Y30B07-9001-13/15-01）

冶运涛（1983-），男，河南许昌人，博士，高级工程师，主要从事数字流域、流域水循环模拟与水资源调度研究。E-mail：yeyuntao@iwhr.com

梁犁丽（1982-），女，河南许昌人，博士，工程师，主要从事水文预报与调度、生态水文过程研究。E-mail：liangli0921@163.com